Composition et propriétés du Monel 400 à travers la température

Le Monel 400 est UNS N04400, également publié sous les numéros W.Nr. 2.4360 et 2.4361, et c'est une solution solide binaire de nickel et de cuivre qui ne peut être durcie que par travail à froid. Cette seule phrase établit les deux moitiés de ce qu'une page de propriétés a à dire : la composition décide du caractère de l'alliage, et la quantité de travail qui y est consacrée décide de tous les chiffres de résistance que vous pouvez acheter.

La composition est du nickel à 63,0 % minimum avec du cuivre entre 28,0 % et 34,0 %, et le reste est un petit ensemble de résiduels qui sont maintenus bas et non ajoutés. Ce qui rend l'alliage utile, c'est la solubilité des deux éléments principaux l'un dans l'autre : ils sont mutuellement solubles dans toutes les proportions, de sorte que la structure est monophasée, avec un réseau cubique à faces centrées et un paramètre de réseau de 3,534 Å. Il n'y a pas de seconde phase à précipiter, ce qui explique l'absence de traitement de vieillissement dans cet alliage et la raison pour laquelle le seul mécanisme de durcissement disponible est la déformation.

Lu ainsi, les propriétés du Monel 400 se divisent en deux groupes qui se comportent de manière complètement différente. Ceux qui sont fixés par la composition ne bougent pas du tout : la densité, le module, la plage de fusion et les propriétés thermiques sont déterminés par la chimie et par la température, et aucune décision de traitement ne les modifie. Ceux que le client spécifie réellement varient sur une large plage, car ils découlent de la quantité de travail à froid que la pièce a subie et du traitement thermique qui a suivi. Les sections ci-dessous séparent les deux groupes, puis suivent l'alliage aux deux extrémités de sa plage de température, où son comportement est le plus distinctif.

La composition, et ce que fait chaque élément

La ligne du soufre est celle qui atteint l'atelier au lieu de rester sur la fiche technique. Parce que le soufre endommage cette famille d'alliages à température, la pratique de recuit publiée exige une atmosphère réductrice sans soufre, et les crayons de marquage, la graisse et certains matériaux réfractaires doivent être tenus à l'écart d'une pièce qui va entrer dans un four. C'est une exigence de fabrication qui découle directement d'une limite de composition.

Ce que le travail fait aux propriétés

C'est le tableau à partir duquel un acheteur commande réellement, et l'écart qu'il contient est plus large que ce que la plupart des gens attendent d'un seul alliage. Chaque ligne a la même composition ; ce qui change, c'est l'état dans lequel il a été fourni.

Deux choses dans ce tableau décident de la plupart des commandes. La première est que le travail à froid est l'ensemble du mécanisme, de sorte que la résistance que vous obtenez est la résistance que vous avez demandée en spécifiant une trempe. Passer de tôle recuite à bande trempée à ressort double approximativement la limite d'élasticité et réduit l'allongement de 35 % à une valeur pouvant descendre jusqu'à 2 %. La seconde est que la note publiée jointe à ces plages est explicite : ce sont des composites pour diverses tailles de produits, et ils ne conviennent pas à des fins de spécification. Une commande d'achat nomme donc la forme, l'état et la norme, et prend ses minimums de la norme au lieu d'un tableau comme celui-ci.

Une autre conséquence de la structure monophasée mérite d'être mentionnée. Comme il n'y a pas de réaction de précipitation, il n'y a rien à sur-vieillir et pas de traitement de vieillissement à planifier. Les traitements thermiques qui existent pour cet alliage remplissent une fonction différente : le recuit adoucit complètement le matériau écroui, et la détente réduit les contraintes résiduelles sans recristalliser la structure du grain.

Résistance et ductilité à mesure que la température baisse

C'est la propriété qui sépare le plus clairement le Monel 400 des aciers, et elle va dans la direction opposée à ce que la plupart des ingénieurs attendent. À mesure que la température de test diminue, l'alliage devient plus résistant et conserve sa ductilité en même temps. Il n'y a pas de transition vers un comportement fragile.

La ligne forgée est celle à regarder, car elle couvre toute la plage. Entre la température ambiante et −423 °F, la résistance à la traction passe de 92 ksi à 142 ksi, soit environ 50 % plus résistante, et l'allongement augmente avec elle au lieu de diminuer. L'évaluation publiée de l'alliage note que ce comportement est maintenu sur une plage de températures considérable, et la conséquence pratique est qu'un service cryogénique ne nécessite pas de changement de matériau en raison de la ténacité.

Deux mises en garde publiées accompagnent le tableau. Les valeurs indiquées pour les états tréfilés à froid et recuits s'appliquent aux tailles de 0,032 à 0,250 pouces de diamètre, et la source indique que les propriétés pour d'autres tailles peuvent varier. Et la ligne tréfilée à froid testée à température ambiante après avoir été maintenue à −110 °F pendant plusieurs heures a donné une limite d'élasticité inférieure à celle de la ligne testée à température, ce qui est le genre de détail qui n'a d'importance que si une spécification exige un trempage au lieu d'un test.

Ténacité à température, qui est la même histoire

Les essais de résilience racontent la même histoire plus clairement, car un test de ténacité est l'endroit où un acier avec une température de transition échouerait. Cet alliage n'en a pas qui puisse être atteint.

L'évaluation publiée indique qu'aucune preuve de fractures fragiles n'a été observée, et que le métal d'apport testé dans le même programme s'est fracturé dans la soudure et non dans la plaque. Il y a aussi une note sur les spécimens d'impact par torsion : les tentatives pour produire des fractures en eux en réduisant la section minimale de 75 % ont échoué, en raison de la ténacité du matériau.

Les fenêtres de fabrication

Comme l'alliage ne durcit que par travail à froid, les traitements thermiques ne construisent pas de résistance. Ils restaurent la ductilité et éliminent les contraintes. Ils définissent également la taille du grain, et chacun a une fenêtre publiée.

La distinction entre la détente et l'égalisation des contraintes est celle qui est le plus souvent perdue. Elles sont publiées comme des traitements séparés à des températures séparées pour des objectifs séparés, et un atelier qui en substitue une à l'autre n'obtiendra pas le résultat demandé par le dessin.

Le dépôt de soudure à température

L'alliage est joint avec un apport correspondant, et les données publiées sur le métal d'apport soudé montrent comment le dépôt se comporte lorsqu'il chauffe. Il est utile d'avoir cela séparément des chiffres du métal de base, car une jointure à température est limitée par son constituant le plus faible.

La dernière ligne est celle qui importe, car 1000 °F, soit 538 °C, est la température à laquelle l'alliage atteint la fin de sa plage utile à l'air. Le dépôt supporte encore 386 MPa en traction à ce point, ce qui est un chiffre utile à avoir, et la réduction de section est tombée à 24,5 %, ce qui est le nombre qui limite ce que l'on peut attendre d'une jointure à cette température.

Une jointure bout à bout pleine grandeur se comporte différemment du métal d'apport soudé, et les données publiées indiquent que les tests transversaux sur une soudure ont tous cassé dans la soudure et non dans la plaque, ce qui est le résultat attendu lorsque le dépôt est plus faible que le métal parent. Un traitement thermique de 1150 °F pendant 10 heures suivi d'un refroidissement à l'air n'a pas modifié les propriétés de soudure à température ambiante de manière utile, ce qui est cohérent avec le fait que le dépôt n'a pas de réponse de vieillissement à développer.

L'étude à partir de laquelle le corps publié a été tiré, et pourquoi ses chiffres ne peuvent pas être utilisés

La version de cette page qui a été publiée contient la méthode et les résultats d'une étude de traction à chaud, et l'étude est décrite avec suffisamment de précision pour être identifiée : une machine de simulation thermique Gleeble-1500D, un spécimen de 6 mm de diamètre et 120 mm de long, chauffé à 10 °C par seconde à 1100 °C et maintenu pendant trois minutes, puis refroidi à 3 °C par seconde à des températures de test de 600, 700, 800, 900, 1000 et 1100 °C, déformé à 10⁻³ par seconde sous vide, avec les surfaces de fracture examinées sous un microscope électronique à balayage.

Deux choses à retenir. La conclusion sur la ductilité est cohérente avec ce que les plages de travail publiées suggéreraient : l'étude rapporte que la plasticité à haute température augmente avec la température jusqu'à un pic autour de 900 °C puis diminue à nouveau, et 900 °C se situe dans la fenêtre de travail à chaud publiée de 927 à 1177 °C tandis que 1100 °C se situe près de son extrémité supérieure. La seconde est qu'un spécimen maintenu à 1100 °C pendant trois minutes avant le test a été effectivement recuit, de sorte que les chiffres décrivent un matériau recuit et non l'état dans lequel l'alliage est généralement fourni.

Les chiffres de résistance ne peuvent pas être republiés comme propriétés de cet alliage. L'étude rapporte une résistance à la traction de 106,49 MPa à 600 °C et 22,41 MPa à 1100 °C. Les données publiées à court terme pour le même alliage indiquent 55,95 ksi, soit 386 MPa, pour le métal d'apport soudé à 1000 °F, soit 538 °C, et le métal d'apport est normalement le constituant le plus faible d'une jointure. Une valeur forgée de 106 MPa à une température supérieure est donc environ trois à quatre fois inférieure à ce que les données publiées impliquent, et la divergence est suffisamment importante pour que le nombre soit traité comme spécifique à cette seule configuration de test. Ce n'est pas une résistance qui peut être spécifiée pour cet alliage.

La prémisse de l'étude doit également être lue par rapport à l'évaluation publiée de l'alliage. L'étude a été entreprise en raison d'une tendance à la fissuration à chaud attribuée en partie à la faible conductivité thermique et au faible coefficient d'expansion, mais la description publiée du Monel 400 indique qu'il est facilement assemblé par des procédés conventionnels, qu'il a une bonne soudabilité, et qu'il peut être formé à chaud dans presque toutes les formes. Ces deux positions ne sont pas incompatibles, dans la mesure où une étude peut utilement enquêter sur un problème au sein d'un matériau généralement travaillable, et elles ne doivent pas être interprétées comme un avertissement général contre le soudage de l'alliage. La distinction mérite d'être conservée, car la même faible conductivité thermique qui concentre la chaleur dans un bain de fusion est aussi la raison pour laquelle l'alliage conserve sa résistance lorsque la température augmente.

Questions que les acheteurs posent

Quelle est la composition chimique du Monel 400 ?

Nickel à 63,0 % minimum et cuivre entre 28,0 % et 34,0 %, le reste étant du nickel et les résiduels maintenus bas : carbone à 0,3 % maximum, fer à 2,5 %, manganèse à 2,0 %, silicium à 0,5 % et soufre à 0,024 %. Le chiffre du nickel est un minimum et non une plage. Il est déterminé par différence. Les fiches techniques publiées donnent parfois la plage de nickel de 63,0 à 70,0 %.

Comment le Monel 400 est-il renforcé ?

Uniquement par travail à froid. Le nickel et le cuivre sont mutuellement solubles dans toutes les proportions, de sorte que l'alliage est monophasé avec un réseau cubique à faces centrées et qu'il n'y a pas de seconde phase à précipiter. Il n'y a donc pas de traitement de vieillissement pour cet alliage, et la résistance d'une pièce livrée est une fonction de la quantité de travail à froid qu'elle a subie. C'est le contraire de la situation avec un grade à durcissement par précipitation tel que le Monel K500.

Quelle est la plage de résistance disponible à partir d'une seule composition ?

Environ un facteur deux entre les extrêmes, et les extrêmes ne sont pas proches. La tôle recuite est publiée à 482 à 586 MPa de traction avec 35 % d'allongement ou plus. La bande trempée à ressort du même alliage atteint 690 à 965 MPa avec un allongement aussi bas que 2 %. Une commande d'achat doit donc nommer la trempe ainsi que l'alliage, car l'état est ce qui porte la résistance.

Le Monel 400 devient-il fragile à basse température ?

Non, et il fait le contraire. Le matériau forgé testé à −423 °F, soit −253 °C, montre une résistance à la traction de 142 ksi contre 92 ksi à température ambiante, avec un allongement passant de 31 % à 38,5 %. Les valeurs Charpy V-notch à la même température varient de 121 à 219 ft·lb selon l'orientation, et l'évaluation publiée n'indique aucune preuve de fractures fragiles. C'est une raison de choisir l'alliage pour le service cryogénique et non une limitation de celui-ci.

Quelles sont les températures de travail à chaud et de recuit ?

Le travail à chaud va de 1700 °F à 2150 °F, soit 927 °C à 1177 °C, avec un optimum autour de 2000 °F, et l'alliage ne doit jamais être chauffé au-dessus de 2150 °F car des dommages permanents peuvent en résulter. Le recuit est publié de 1600 à 1800 °F pendant 2 à 10 minutes pour la méthode de chauffage à l'air libre, ou de 1400 à 1500 °F pendant 1 à 3 heures pour le recuit en boîte, avec une plage générale de 1300 à 1800 °F. L'extrémité basse de la plage est utilisée avec des temps plus longs pour maintenir la finesse du grain. L'atmosphère de recuit doit être réductrice et sans soufre.

Quelle est la différence entre la détente et l'égalisation des contraintes ?

Ce sont des traitements publiés séparément avec des objectifs séparés. La détente se fait à 1000 à 1050 °F pendant 1 à 2 heures et réduit les contraintes résiduelles sans recristalliser la structure du grain. L'égalisation des contraintes se fait en maintenant pendant environ 3 heures à 575 °F et augmente la limite d'élasticité à 0,00 % de décalage sans effets marqués sur les autres propriétés. Substituer l'une à l'autre ne produit pas le résultat demandé par le dessin.

Résumé

Le Monel 400 est une solution solide nickel-cuivre monophasée, UNS N04400 et W.Nr. 2.4360 ou 2.4361, qui ne peut être durcie que par travail à froid. La composition est du nickel à 63,0 % minimum avec du cuivre entre 28,0 % et 34,0 %, et comme les deux éléments sont mutuellement solubles, il n'y a pas de réaction de précipitation ni de traitement de vieillissement. Les propriétés se divisent donc en celles fixées par la composition, telles que la densité, le module et la plage de fusion, et celles fixées par l'état dans lequel le matériau est fourni, où les plages publiées vont de 482 MPa de traction dans la tôle recuite à 965 MPa dans la bande trempée à ressort. À température décroissante, l'alliage gagne en résistance tout en conservant sa ductilité, atteignant 142 ksi dans le matériau forgé à −423 °F sans preuve de fracture fragile. À température croissante, la limite utile à l'air est de 1000 °F, la fenêtre de travail à chaud est de 1700 à 2150 °F, et le dépôt de soudure supporte encore 386 MPa à 1000 °F.

Le Monel 400 est fourni depuis Changzhou, Jiangsu en tôles, plaques, bandes, tiges, barres, fils, pièces forgées, tubes et tuyaux sans soudure, et tubes de condenseur, dans les états recuit, détendu, mi-dur, dur et trempe à ressort, à partir d'une usine certifiée ISO 9001 et auditée par SGS. Envoyez la forme, la trempe et la température de service, et les propriétés découlent de ces trois réponses.

Références

1. Bulletin technique Special Metals SMC-053, alliage nickel-cuivre MONEL 400. Source des limites de composition, de la densité de 8,80 g/cm³ et de la plage de fusion, du module d'élasticité en traction, compression et torsion avec le coefficient de Poisson, de la température de Curie et de sa note, de la description de l'alliage comme une solution solide binaire avec un paramètre de réseau cubique à faces centrées de 3,534 Å, des plages de propriétés mécaniques par forme et état, des tableaux de traction et d'impact à basse température, de la note indiquant que les plages publiées sont des composites qui ne conviennent pas à des fins de spécification, des propriétés à court terme du métal d'apport soudé à température, du résultat du test de soudure transversal, et du tableau de dureté par trempe pour tôle et bande.
2. Le même bulletin, sur le traitement thermique et la fabrication. Source des plages de recuit à l'air libre et en boîte, de l'affirmation que l'alliage forme un film d'oxyde adhérent lorsqu'il est laissé refroidir à l'air après chauffage, de l'affirmation que la vitesse de refroidissement n'a pas d'effet significatif, du traitement d'égalisation des contraintes à 575 °F et de son effet sur la limite d'élasticité à 0,00 % de décalage, de l'affirmation que la croissance du grain se produit lorsque le matériau est chauffé à température élevée, du plafond de travail à chaud de 2150 °F avec l'avertissement que des dommages permanents peuvent en résulter, et de la recommandation de ne jamais chauffer l'alliage au-dessus de ce chiffre.
3. Données techniques publiées pour l'alliage 400 telles que diffusées par